МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА
Барнаул
ВВЕДЕНИЕ
Экологическая генетика является одной из системообразующих в рамках биологических наук, поскольку дает знания об универсальных закономерностях наследования генетически закрепленных признаках, а именно: организации генетического материала, его экспрессии, воспроизведении и передачи от одного поколения другому. Знания закономерностей фенотипического проявления генотипа во взаимодействии с факторами среды формируют современный базис для исследования биоразнообразия природы. Генетические теории эволюции генов позволяет вскрыть механизмы эволюционных и популяционных процессов, что способствует более глубокому пониманию филогенеза и эволюции органического мира.
Очень велико практическое значение экологической генетики, так как она служит основой селекции полезных микроорганизмов, культурных растений и домашних животных. Из генетики выросли такие наиболее бурно развивающиеся области науки в целом и, биологии в частности, как биотехнология, генная инженерия, молекулярная биология. Генно-инженерные подходы, сформированные на основе знаний основ организации и функционирования наследственного материала, позволяют решать практические задачи селекции, медицины, генотерапии и других наук.
Содержание дисциплины распределяется между лекционной и практической частями на основе принципов фундаментальности и интегрированности. Освоение предмета включает также подготовку докладов. В лекционном курсе главное место отводится общетеоретическим основам общей и экологической генетики. Практические занятия не дублируют лекции, а содержат материал, позволяющий развить у студентов логику генетического мышления, использовать теоретические знания в решении генетических задач. Доклады предполагают обязательное привлечение и самостоятельную проработку дополнительной литературы, что, несомненно, расширяет и углубляет фундаментальные знания дисциплины и позволяет быть в курсе современных научных открытий в отдельных областях экологической генетики.
Проверка качества усвоенных знаний в течение семестра (промежуточный контроль) осуществляется в устной (коллоквиум, доклады) и письменной (домашние задания и контрольные работы по решению задач) формах. Проведение письменных индивидуальных работ дисциплинирует студентов, дает основание преподавателю для объективной оценки знаний и, кроме того, позволяет самому студенту определить уровень собственной подготовки по предметам.
Выполнение самостоятельной работы осуществляется на основе прослушанных лекций и изучения рекомендованной методической литературы по темам, предложенным преподавателем. Контроль проводится в виде защиты докладов (темы прилагаются), выполненных в форме презентаций (5 мин.) на практических занятиях (выделяется 15 мин. в соответствующей теме занятия), коллоквиума и контрольных работ (типовые варианты представлены в отдельном документе). Тема доклада выбирается студентом самостоятельно из предложенного преподавателем списка.
Домашние задания включают генетические задачи из соответствующей темы (типовые варианты представлены в отдельном документе), сдаются на проверку преподавателю в письменном виде в тетради.
Доклады оцениваются в форме «зачтено/незачтено»; коллоквиум, контрольные работы и домашние задания – по традиционной пятибальной системе. Для допуска к зачету необходимо получить «зачтено» по теме доклада и положительные оценки (не ниже 3 баллов) по каждой теме домашней работы, контрольной работы и коллоквиуму.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ДОКЛАДА
Доклад студент готовит самостоятельно на основе рекомендованной литературы. Подготовка доклада призвана помочь студенту глубже изучить конкретную проблему курса «Экологическая генетика» и продемонстрировать свое умение излагать ее кратко, в устной форме, сопровождая выбранными иллюстрациями в виде слайдов. Данная форма представления материала также способствует приобретению опыта подготовки доклада и презентации при выполнении и защите научно-исследовательской работы. Представленный доклад должен содержать введение, в котором указывается раздел дисциплины, к которому относится тема, основную часть, где излагается суть проблемы и заключение, содержащее краткий вывод по изложенной теме. Не рекомендуется использование более 10 слайдов. При оценке доклада учитывается:
- соответствие содержания доклада заявленной теме;
- полнота раскрытия темы (в докладе должна быть четко раскрыта суть научной проблемы);
- умение кратко, в сжатой форме передать основную суть темы;
- иллюстративный материал, использованный в докладе (соответствие теме и качество представления);
- перечень использованной литературы;
- умение отвечать на вопросы.
Докладчик получает «зачтено», если материал соответствует теме доклада, излагается уверенно и свободно, докладчик правильно отвечает на вопросы по материалу доклада, а его оформление соответствует предложенным критериям.
Докладчик получает «зачтено», если материал соответствует теме доклада, излагается с небольшими заминками. Докладчик отвечает на часть предложенных вопросов, в оформлении допущены небольшие неточности и ошибки.
Докладчик получает «незачтено», если материал не соответствует теме доклада, излагается с грубыми ошибками, иллюстрации не относятся к теме доклада либо не помогают раскрыть его суть, докладчик не может ответить на поставленные вопросы.
Проверка самостоятельной работы студентов может осуществляться преподавателем в соответствии с графиком индивидуальных консультаций (расписание представлено на стенде объявлений).
Дисциплина завершается устным зачетом, на котором проверяется усвоение теорeтического материала и способность студентов решать задачи (билет содержит теоретический вопрос и генетическую задачу). Подготовка к зачету осуществляется по предложенным вопросам.
КРИТЕРИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЧЕТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ
«Зачтено» выставляется студентам, показавшим глубокое знание теоретических вопросов, умение проиллюстрировать изложение практическими приемами и расчетами, освоившим основную литературу, рекомендованную программой курса, обнаружившим стабильный характер знаний и способность к их самостоятельному восполнению и обновлению в ходе практической деятельности, полностью ответившим на вопросы экзаменатора, но допустившим при ответах незначительные ошибки, указывающие на наличие несистематичности и пробелов в знаниях.
«Зачтено» выставляется студентам, показавшим знание основных положений теории при наличии существенных пробелов в деталях, испытывающим затруднения при практическом применении теории, допустившим существенные ошибки при ответах на вопросы экзаменатора, но показавшим знания основного учебно-программного материала в объеме, необходимом для предстоящей работы.
Зачтено не выставляется, если студент показал существенные пробелы в знаниях основных положений теории, которые не позволяют ему приступить к практической работе без дополнительной подготовки, не ответил на вопросы билета или экзаменатора.
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Целями освоения учебной дисциплины ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА являются: формирование фундаментальных знаний по важнейшим проблемам классической и современной генетики и перспективам ее развития; об уровне достижений и предмете экологической генетики, взаимовлиянии генетических процессов и экологических отношений.
Задачи изучения дисциплины:
- сформировать современные представления об организации генетического материала, его экспрессии; механизмах передачи, реализации наследственной информации;
- научить основным приемам генетического анализа;
- научить понимать закономерности и механизмы изменчивости генетического материала;
- сформировать представление об эколого-генетических моделях;
- научить основам генетической токсикологии, теории мутагенеза;
- сформировать знания по основным направлениям экологической генетики человека;
- научить основам генетики устойчивости к действию факторов среды;
- научить использовать основы математического анализа при изучении наследственности и изменчивости признаков;
- сформировать представление об этических принципах медицинской генетики, понимание социальной значимости своей будущей профессии;
- сформировать ответственное отношение к природе и готовности к активным действиям по ее охране на основе знаний общей и экологической генетики органического мира.
Предметы, знание которых требует изучение дисциплины ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ГЕНЕТИКА:
Биоразнообразие (ботаника): низшие растения, разнообразие жизненных форм на Земле, классификация живых организмов, филогенетическая система, вероятные филогенетические связи; высшие растения, систематика, происхождение, важнейшие направления морфологической эволюции; анатомия и морфология растений, растительные ткани, вегетативные и генеративные органы, экологические группы и жизненные формы.
Биоразнообразие (зоология): систематика беспозвоночных и позвоночных животных; строение половых систем, размножение и развитие основных групп, особенности их жизненных циклов.
Экология микроорганизмов: культивирование, рост и размножение бактерий; особенности обмена веществ у микроорганизмов; брожение; окислительное фосфорилирование; репродукция вирусов; наследственность и изменчивость микроорганизмов; рекомбинации у прокариот.
Общая экология: абиотические факторы и адаптация к ним организмов; экология популяций: популяционная структура вида, структура популяций и механизмы ее поддержания; биотические взаимоотношения; динамика численности популяций; экология сообществ: биоценозы, функциональный состав и пространственная структура; биогеоценозы и экосистемы; учение о биосфере; основы охраны окружающей среды; природные ресурсы, их классификация и рациональное использование; загрязнение биосферы; экология человека.
Предметы, в которых она найдет отражение в будущем: генетика популяций, охрана окружающей среды, радиационная экология, экологический мониторинг, нормирование и снижение загрязнения окружающей среды, техногенные системы и экологический риск, биоиндикация и биотестирование, экологическая токсикология, экологические основы эволюции.
2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1. Рабочая программа.
ПРЕДМЕТ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И МЕТОДЫ ОБЩЕЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ
Предмет и задачи генетики. Понятие о наследственности и изменчивости. Основные этапы развития мировой генетики. Особенности развития генетики в России. Развитие представлений о предмете экологической генетики на разных этапах становления генетики и экологии. С Четверикова, , Ф. Г Добржанского, , -Вечтомова и др. Методы генетики: гибридологический, цитологический, популяционный, секвенирование, гибридизация нуклеиновых кислот и др. Значение генетики для решения задач селекции, биотехнологии, медицины, экологии и других наук.
ЗАКОНОМЕРНОСТИ НАСЛЕДОВАНИЯ ПРИЗНАКОВ
Основные принципы гибридологического анализа, его разрешающая способность. Генетическая символика. Закономерности исследования при моногибридном скрещивании. Первый закон Г. Менделя – единообразие гибридов первого поколения, правило доминирования. Второй закон Г. Менделя – расщепление во втором поколении. Понятия «ген», «генотип», «фенотип». Понятие об аллелях и их взаимодействии: полное и неполное доминирование, кодоминирование. Правило «чистоты» гамет. Понятие гомо - и гетерозиготности организмов. Множественный аллелизм. Анализирующее скрещивание. Закономерности наследования в ди - и полигибридных скрещиваниях. Третий закон Г. Менделя – закон независимого комбинирования признаков. Вероятность и генетические события. Статистический характер расщеплений (критерий «хи»-квадрат). Отклонение от менделевских расщеплений при ди - и полигенном контроле признаков. Неаллельные взаимодействия: комплементарность, эпистаз, полимерия, плейотропия. Летальные гены.
Наследование количественных признаков. Статистические показатели, используемые для характеристики полигенных признаков.
ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ
Половые хромосомы, гомо - и гетерогаметный пол. Типы хромосомного определения пола у животных и растений. Балансовая теория определения пола. Наследование признаков, сцепленных с полом. «Крисс-кросс»-наследование. Понятие гемизиготности. Нерасхождение половых хромосом. Гинандроморфизм.
Нарушение закона независимого наследования признаков. Сцепление генов, группы сцепления. Кроссинговер. Значение анализирующего скрещивания и тетрадного анализа при изучении кроссинговера. Кроссинговер на стадии четырех тетрад. Генетические и цитологические доказательства кроссинговера. Двойные и множественные перекресты. Интерференция. Коинциденция. Линейное расположение генов в хромосомах. Генетические карты. Митотический кроссинговер и его использование при картировании хромосом. Цитологические и физические карты хромосом. Неравный кроссинговер. Значение работ циклы Т. Моргана в создании хромосомной теории наследственности.
СТРУКТУРА И ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНОМА, СТРОЕНИЕ ГЕНОВ, ХРОМОСОМ
Доказательства генетической роли нуклеиновых кислот. Трансформация бактерий, трансфекция вирусов. Сопоставление плоидности и содержания ДНК в клетке. Структура ДНК и РНК. Модель ДНК Уотсона-Крика. Функция нуклеиновых кислот в реализации генетической информации: репликация, транскрипция, трансляция. Свойства генетического кода.
Представление школы Т. Моргана о строении и функции гена. Основные критерии аллелизма: функциональный, рекомбинационный. Работы школы А. Серебровского по ступенчатому аллеломорфизму. Псевдоаллелизм. Мутационная и рекомбинантная делимость гена. Анализ тонкой структуры гена на примере фага Т4 (по Бензеру).
Регуляция экспрессии гена у прокариот. Модель оперона. Индуцибельная система метаболизма лактозы у E. coli. Репрессибельная система метаболизма триптофана у E. coli. Генетическая регуляция у эукариот. Регуляторная часть гена. Промоторы и регуляторы. Энхансерные участки гена. Инсуляторы. Структурная часть гена. Интрон-экзонная организация генов эукариот, сплайсинг. Многоуровневый характер регуляции экспрессии эукариотических генов.
Хромосомы вирусов, прокариот и клеточных органелл эукариот. Митотические хромосомы высших эукариот. Кариотип и идиограмма. Морфологическое строение хромосом. Дифференциальное окрашивание. Эухроматин и гетерохроматин. Теломеры. Строение центромеры. Политенные хромосомы. Упаковка ДНК в хромосомах. Нуклеосомы. Наднуклеосомная укладка ДНК. Хромомерная организация хромосом.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ И МОДИФИКАЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ
Понятие о наследственной и ненаследственной изменчивости. Комбинативная и мутационная изменчивость. Классификация мутаций.
Геномные изменения: полиплоидия, анеуплоидия, робертсоновские перестройки, гаплоидия. Пути возникновения и распространение в природе полиплоидов. Автополиплоиды, особенности генетического анализа. Аллополиплоиды. Амфидиплоидия как механизм возникновения плодовитых аллополиплоидов. Мейоз у полиплоидов. Отдаленная гибридизация. Роль полиплоидов в эволюции и селекции. Анеуплоидия: нуллисомики, моносомики, полисомики. Особенности мейоза анеуплоидов, их плодовитость и жизнеспособности. Хромосомные перестройки: делеции, дупликации, инверсии, транслокации, транспозиции. Механизмы возникновения, особенности мейоза.
Генные мутации. Прямые и обратные, адаптивные и нейтральные, летальные и условно-летальные, ядерные и неядерные, спонтанные и индуцированные. Молекулярная природа генных мутаций: замена, вставка и выпадение оснований. Механизмы генных мутаций. Спонтанный и индуцированный мутационный процесс. Гены мутаторы и антимутаторы. Количественная оценка частот возникновения мутаций. Учет мутаций у микроорганизмов, дрозофилы, высших растений.
Модификации – ненаследуемые изменения. Значение работ В. Иогансена. Модификации как изменения организма в пределах нормы реакции. Типы модификационных изменений. Адаптивные модификации. Морфозы, фенокопии. Механизмы модификаций. Значение модификаций для селекции, медицины.
НЕХРОМОСОМНАЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТЬ
Материнский эффект цитоплазмы. Наследование завитка раковины у моллюсков. Пластидная наследственность. Наследование пестролистности у растений. Наследование устойчивости к антибиотикам у хламидомонады. Митохондриальная наследственность. Наследование дыхательной недостаточности у дрожжей и нейроспоры. Взаимодействие ядерных и внеядерных генов. Цитоплазматическая мужская стерильность у растений. Плазмидное наследование. Свойства плазмид: трансмиссивность, несовместимость, детерминирование устойчивости к антибиотикам и др. Использование плазмид в генетических исследованиях.
ГЕНЕТИКА ПОПУЛЯЦИЙ
Популяция как единица эволюционного процесса. Частоты генотипов и частоты аллелей популяции. Закон Харди-Вайнберга. Генетическая гетерогенность природных популяций и ее оценка. Факторы динамики генетического состава популяции: имбридинг, мутационный процесс, дрейф генов, межпопуляционные миграции, изоляции, отбор. Естественный отбор как исправляющий фактор эволюции популяций. Формы отбора: движущий, стабилизирующий, дизруптивный.
ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ
Классификация разных типов экологических отношений. Синэкология. Пищевые цепи и пищевые сети. Влияние синэкологических отношений на генетические процессы в клетках взаимодействующих организмов. Поиск элементарных признаков при синэкологических отношениях, возможность проведения генетического анализа. Эколого-генетические модели – бактерии-растения, грибы-растения, насекомые-растения и др. Эндосимбионты простейших, насекомых, ракообразных. Перспективы изучения эколого-генетических моделей для борьбы с насекомыми-вредителями, фитопатогенами. Проблема управления численностью организмов в пределах общей экологической системы. Аутэкология. Абиотические и антропогенные факторы внешней среды.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ТОКСИКОЛОГИЯ
Ксенобиотики и генетически активные факторы среды. Классификация мутагенных факторов. Физический и химический мутагенез. Радиационный мутагенез. Механизмы действия радиации. Генетические эффекты ионизирующего излучения и УФ-лучей. Закономерности «доза-эффект». Радиопротекторы. Химические мутагены. Супермутагены. Особенности мутагенного действия химических агентов: аналогов оснований, азотистой кислоты, алкилирующих агентов, акридиновых красителей. Связь мутагенеза с канцерогенезом. Генетические последствия крупных производственных аварий, ядерных испытаний, катостроф, загрязнения среды диоксинами.
Генетический мониторинг действия факторов окружающей среды. Системы тестов для оценки генетической опасности. Требования, предъявляемые к тест-системам. Проблема экстраполяции данных различных тест-систем на человека. Критерии генетической активности факторов среды. Объекты тест-систем: бактерии, грибы, водоросли, высшие растения, животные, культуры клеток млекопитающих, человека.
Антимутагенез. Классификация антимутагенов: дисмутагены, биоантимутагены. Механизмы антимутагенеза. Профилактика мутагенного действия факторов среды.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ МУТАГЕНЕЗА
Открытие ДНК-мутагенеза (). Мутагенный эффект вирусов кори, гриппа, оспы, аденовируса и др. Генетические эффекты продуктов жизнедеятельности высших растений, грибов, животных. Роль гуморальной и иммунной системы в мутагенезе. Иммунологические и физиологические стрессы как генетически активные факторы среды. Работы . Физиологическая теория мутационного стресса . Мутагенный эффект феромонального стресса у мышей. Работы , , .
ГЕНЕТИКА УСТОЙЧИВОСТИ К ФАКТОРАМ СРЕДЫ
Генетический контроль устойчивости сельскохозяйственных растений и животных к неблагоприятным факторам среды. Экологическая генетика человека. Генетическая гетерогенность популяций человека по чувствительности к факторам среды. Радиоустойчивость. Адаптация к химическим мутагенам. Фармакогенетика. Окружающая среда и наследственные болезни человека. Генные, хромосомные и геномные мутации человека. Гены «предрасположенности» и гены «внешней среды». Генетический груз. Диагностика, лечение и профилактика наследственных и врожденных болезней человека. Генетическое тестирование. Проблемы профориентации и медицинского страхования.
2.2. Темы практических занятий
Раздел учебной дисциплины | Тема практической работы |
Закономерности наследования признаков Хромосомная теория наследственности Генетическая и модификационная изменчивость Генетика популяций | 1. Менделевские законы наследования признаков 2. Взаимодействие неаллельных генов (решение задач). 3. Наследование, сцепленное с полом 4. Сцепленное наследование и кроссинговер. 5. Составление генетических карт хромосом. 6. Закономерности модификационной изменчивости и методы ее изучения. 7. Закон Харди-Ванберга, его применение при расчете частот аллелей и генотипов в популяциях. |
2.3. Перечень тем лекций
1. Менделевские закономерности наследования признаков.
2. Сцепленное наследование генов.
3. Эволюция представлений о строении и функции генов.
4. Генетическая изменчивость организмов.
5. Генетическая гетерогенность природных популяций и ее оценка.
6. Типы эколого-генетических взаимоотношений.
7. Генетический мониторинг действия факторов окружающей среды.
8. Генетически активные факторы среды.
9. Биологические факторы мутагенеза.
10.Генетический контроль устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.
Темы контрольных работ
1. Взаимодействие аллельных генов.
2. Взаимодействие неаллельных генов.
3. Сцепление генов и хромосомное картирование у эукариот.
Темы коллоквиумов
1. Хромосомная теория наследственности.
2. Изменчивость организмов.
3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература
1. Инге-Вечтомов с основами селекции. – М.: Высшая школа, 2010.
2. , , и др. Задачи по современной генетике: Учеб. пособие. – М.: КДУ, 2005. – 224 с.
Дополнительная литература
3. Атраментова человека. – Харьков: ХГУ, 1990.
4. Лутова развития растений. – СПб: Изд-во Н-Л, 2010. - 431 с.
5. Жимулев и молекулярная генетика. – Новосибирск: НГУ, 2003. – 479 с.
6. Кайданов популяций. – М.: Высшая школа, 1996. – 320 с.
7. , Пашин и окружающая среда. – М.: Наука, 1978. – 130 с.
8. Смирнов . – М.: Высшая школа, 1991. – 247 с.
Электронные образовательные ресурсы
1. http://www. lib. asu. ru/
2. http://elibrary. ru
3. http://annualreviews. org
4. www. genetika. aiq. ru
5. http://ecolgenet. ru
6. http:///ru
7. http://molgen. org
4. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Оборудование и материалы
Постоянные цитологические препараты: фазы митоза и мейоза; временные цитологические препараты: пыльца различных видов растений; коллекция колосьев пшеницы; коллекция растений различных сортов пшеницы и ячменя.
Вытяжной шкаф, микроскопы, бинокуляры, термостат, препаровальные иглы. предметные и покровные стекла, пинцеты, спиртовки, лабораторная посуда, реактивы и красители, линейки, калькуляторы.
